Пневмогидравлическое устройство

Полезная модель относится к пневмогидравлическим устройствам и агрегатам и может использоваться в качестве альтернативного и экологически чистого преобразователя низкопотенциальной тепловой энергии водной среды, сбрасываемой с АЭС воды в водоемы, также позволяет использовать энергию Солнца и энергию тепла, запасенную в воде и воздухе в электрическую энергию. Технический результат: без потребности в использовании высокоуровневого резервуара осуществляется отбор низкопотенциальной тепловой энергии воды с созданием направленной подъемной силы водо-воздушной среды, способной осуществлять механическое вращение турбины и генератора электрического тока. Пневмогидравлическое устройство не требует высокоуровневого резервуара, при этом снижается температура водной среды, улучшается экология и газовый состав воды за счет насыщения ее кислородом. Повышается КПД выработки электрической энергии. Заявленный технический результат достигается за счет того, что пневмогидравлическое устройство, содержащее соединенный с источником сжатого воздуха цилиндрический корпус с установленной с возможностью вращения на вертикальной оси гидротурбиной, отличающееся тем, что содержит резервуар, уровень границ бака которого выполнен выше уровня коллектора, подающего сбрасываемую воду АЭС, а коллектор через распределительную сеть трубопроводов через направляющий патрубок соединен с цилиндрическим корпусом, содержащим насадок конический, гидротурбину, сепаратор воздуха, соединенный через пневматическую распределительную сеть с компрессором, подающим воздух, а гидротурбина соединена валом вращения с генератор тока.

Область применения

Полезная модель относится к пневмогидравлическим устройствам и агрегатам и может использоваться в качестве альтернативного и экологически чистого преобразователя низкопотенциальной тепловой энергии водной среды, сбрасываемой с АЭС воды в водоемы, также позволяет использовать энергию Солнца и энергию тепла, запасенную в воде и воздухе в электрическую энергию.

Уровень техники

Известен из теории и практики гидравлический агрегат с осевой пропеллерной гидравлической турбиной, содержащий проточную часть корпуса, с размещенным в ней с возможностью вращения рабочим колесом, соединенным валом с генератором. Данный гидравлический агрегат использует потенциальную энергию воды высокоуровневого резервуара через воздействие ее на лопасти рабочего колеса. Однако в этом гидравлическом агрегате турбина преобразует только механическую энергию воды, и не используется отбор тепловой энергии воды.

Известен из теории и практики также гидравлический агрегат с диагонально-осевой гидравлической турбиной, лопасти рабочего колеса которой расположены под острым углом к вертикальной оси и используют механическую энергию воды высокоуровневого резервуара. В этом гидравлическом агрегате КПД (коэффициент полезного действия) для этой турбины выше, чем в предыдущем варианте, но в данной схеме гидроагрегата не используется тепловая энергия, запасенная в воде.

Известен гидроагрегат (см. Щапов Н.М., Турбинное оборудование гидростанций, М., - Л., Госэнергоиздат, 1961, с.281-283, рис.16-24), в котором рабочее колесо приводится во вращательное движение от восходящего потока воды, а направляющий аппарат находится ниже рабочего колеса, отсасывающий направляющий аппарат находится выше рабочего колеса. Конструкция гидроагрегата позволяет наиболее полно использовать энергию воды за счет некоторого увеличения столба воды над рабочим колесом, что повышает КПД гидроагрегата. В данном агрегате повышение эффективности достигается

за счет наиболее полного использования напора воды. Но и в этом случае также не используется тепловая энергия, запасенная в воде.

Известна "Энергоизвлекающая пневмогидравлическая турбина" (патент РФ N 2120058), содержащая осевое пропеллерное рабочее колесо, установленное в корпусе, размещенном в емкости с водой или водоеме, соединенное с источником сжатого воздуха. Данное устройство не требует высокоуровневого резервуара и преобразует энергию сжатого воздуха. Но и в этом случае также не полностью используется запасенная в воде тепловая энергия и подъемная сила водо-воздушной смеси, увеличивающейся при вертикальном движении вверх за счет расширения пузырьков воздуха в процессе отбора тепловой энергии из воды и понижения статического давления.

Известна «Пневмогидравлическая турбина» (патент РФ N 2170364) характеризующаяся увеличенным числом рабочих колес, соединенных зубчатой передачей с вертикальным валом вне корпуса турбины.

Пневмогидравлическая турбина содержит цилиндрический корпус, имеющий трубу слива и заполнения, соединенный с источником сжатого воздуха. Выше дна корпуса закреплена турбина с зазором между стенками корпуса. В корпусе турбины на вертикальной оси размещены с возможностью вращения рабочие колеса, соединенные зубчатой передачей с вертикальным валом, размещенным вне корпуса турбины. Вал соединен с генератором. Но, данное устройство требует сложную кинематическую схему объединения турбинных колес, а именно: распределенный редуктор, который размешается в водной среде, требует сложного конструктивного решения, технологических отверстий в корпусе пневмогидравлической турбины, сложной системы обслуживания, снижает надежность устройства, и уменьшает КПД устройства.

Устройство «Пневмогидравлическая турбина» (патент РФ N 2170364) является прототипом.

Задачей полезной модели является создание пневмогидравлического агрегата, преобразующего энергию сжатого воздуха, тепловую энергию водной среды, кинетическую энергию водо-воздушного и водяного потоков с одновременным улучшением газового состава воды за счет насыщения ее кислородом атмосферного воздуха и повышение КПД.

Технический результат: без потребности в использовании высокоуровневого резервуара осуществляется отбор низкопотенциальной тепловой энергии воды с созданием направленной подъемной силы водо-воздушной среды, способной осуществлять механическое вращение турбины и генератора электрического тока.

Пневмогидравлическое устройство позволяет преобразовать энергию сжатого воздуха, утилизировать низкопотенциальную энергию воды, кинетическую энергию воды, сбрасываемую с АЭС в водоемы, не требует высокоуровневого резервуара, при этом снижается температура водной среды, улучшается экология и газовый состав воды за счет насыщения ее кислородом. Повышается КПД выработки электрической энергии.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показано конструктивная схема пневмогидравлического устройства, где 1 - Блок коммутации и управления, 2 - Присоединительный коллектор, 3 - Вертикальный коллектор, 4 - Распределительный коллектор, 5 - Генератор тока, 6, 7 и 8 - Блок преобразования, 9 - Генератор тока, 10 - Дренажно-предохранительный клапан, 11 - Корпус, 12 - Патрубок, 13 - Соединительный патрубок, 14 - Резервуар, 15 - Патрубок резервуара, 16 - Компрессор, 17 - Направляющий патрубок, 18 - Пневматическая распределительная сеть, 19 - Гидротурбина, 20 - Цилиндрический корпус гидротурбины, 21 - Рассекатель, 22 - Сепаратор воздуха, 23 - Насадок конический, 24 - Электрический выход, 25 - Электрический вход, 26 - Турбина, 27 - Цепь запуска компрессора, 28 - Цепь генератора тока 9 блока преобразования 6, 29 - Цепь генератора тока блока преобразования 7, 30 - Цепь генератора тока блока преобразования 8, 31 - Цепь генератора тока 5.

Реализация полезной модели

Заявленный технический результат достигается за счет того, что пневмогидравлическое устройство, содержащее соединенный с источником сжатого воздуха цилиндрический корпус с установленной с возможностью вращения на вертикальной оси гидротурбиной, отличающееся тем, что содержит резервуар, уровень границ бака которого выполнен выше уровня коллектора, подающего сбрасываемую воду АЭС, а коллектор через распределительную сеть трубопроводов через направляющий патрубок соединен с цилиндрическим корпусом, содержащим насадок конический, гидротурбину, сепаратор воздуха, соединенный через пневматическую распределительную сеть с компрессором,

подающим воздух, а гидротурбина соединена валом вращения с генератор тока. Генератор тока подсоединен к блоку коммутации и управления.

Пневмогидравлическое устройство содержит, по крайней мере, присоединительный коллектор для подачи воды, вертикальный коллектор внутри которого размещена гидравлическая гидротурбина соединенная валом с генератором тока, электрический выход которого подсоединен к блоку коммутации и управления, вертикальный коллектор соединен с распределительным коллектором, резервуар с патрубком, блок преобразования низкопотенциальной энергии воды, состоящий из корпуса, внутри которого размещен корпус турбины, рассекатель, сепаратор воздуха, подсоединенный к пневматической распределительной сети, направляющий патрубок соединенный с распределительном коллектором, насадок конический, патрубок, соединительный патрубок, дренажно-предохранительный клапан, генератор тока, цепь подключения которого соединена с блоком коммутации и управления, к которому подключены все цепи генераторов блоков преобразования низкопотенциальной энергии, выход блока коммутации и управления подсоединен к нагрузке потребителей электрического тока, также к блоку коммутации и управления присоединен вход от внешней электрической сети для пуска пневмогидравлического устройства и цепь запуска компрессора, выход которого соединен с пневматической распределительной сетью.

При запуске пневмогидравлического устройства запускается компрессор в цилиндрические корпуса турбин через сепаратор подается воздух и через направляющий патрубок вода из распределительного коллектора. Возникающий восходящий водо-воздушный поток в цилиндрическом корпусе, приводит к снижению в нем гидравлического давления, что приводит к созданию восходящего водо-воздушного потока, вращению гидротурбины и соответственно вращению генератора тока. При этом воздушные пузыри отбирают от воды низкопотенциальную тепловую энергию, увеличиваются в объеме и обеспечивают охлаждения водной среды.

Таким образом, за счет преобразования энергии сжатого воздуха, пропускаемого через водную среду, осуществляется отбор низкопотенциальной тепловой энергии воды, создается направленная подъемная сила водо-воздушной среды, а в цилиндрических корпусах движение водо-воздушной среды преобразуется в механическое вращение турбины и генератора электрического тока.

В предложенном пневмогидравлическом устройстве, в блоках преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в цилиндрических корпусах гидротурбин

восходящий водо-воздушный поток, действующий на гидротурбину, создается в результате замещения и перетока вытесненной воды, охлажденным в теплоизолированной расширительной системе компрессора, расширяющимся объемом воздуха, а также поступающим на рассекатель потока воды из направляющего патрубка распределительного коллектора и насадка.

Изменение объема воздуха - увеличение объема пузырей воздуха - происходит в результате его нагрева (отбора тепла из водной среды) и снижения гидравлического давления по мере всплытия пузырей воздуха.

Возникающий восходящий поток водо-воздушной смеси преобразуется гидротурбиной в механическую энергию и, генератором тока механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию. При этом, теплота отбираемая воздухом из водной среды, создает восходящий водо-воздушный поток с кинетической энергией в количестве большей, чем затрачено энергии на сжатие воздуха в компрессоре (изотермный КПД компрессора не превышает 0,6).

Компенсация объема воды, вытесняемая поступающим и расширяющимся воздухом в цилиндрических корпусах гидротурбин, заменяется равным количеством воды, поступающей из направляющего патрубка распределительного коллектора и через конический насадок.

При этом, кинетическая энергия движение воды в цилиндрических корпусах гидротурбин преобразуется в механическую, а механическая энергия вращения гидравлической турбины преобразуется генератором тока в электрическую.

При этом, через направляющие патрубки распределительного коллектора происходит компенсация вытекающей воды из блоков преобразования в резервуар. Охлажденная вода из резервуара вытекает патрубок резервуара в естественный водоем или используется в качестве охлаждающей жидкости для АЭС.

Через присоединительный коллектор и вертикальный коллектор перетекает водяной поток равный расходу воды в блоках преобразования.

Следует отметить, что для АЭС объем расхода охлаждающей жидкости составляет порядка 50 куб. метров на 1000 МВт произведенной энергии.

Оценка электрической мощности потока воды сбрасываемой с АЭС и перетекающий через вертикальный коллектор, распределительный коллектор, направляющие патрубки распределительного коллектора цилиндрические корпуса гидротурбин могут определяться определяется из условия, что

Q=Vк, где Vк - объем воздуха после всплытия, который равен

V_к=V _н(1+t₁-t₂/273)·Р,

где V_н - производительность источника сжатого воздуха на выходе из расширительной системы, м3/с; t1 - температура воды, оС; t2 - температура воздуха оС, с учетом понижения температуры при падении давления в расширительной системе (около 24оС на 1 атм.), что позволяет строить электростанции на водоемах с малой глубиной без высокоуровневого резервуара (водохранилища) и эффективно осуществляя отбор тепловой энергии от водной среды; Р - коэффициент давления - (Нм:10 м=1). Скорость движения воды по вертикальному коллектору определяется по известной формуле гидравлики (Кудинов В.А., Карташов Э.М., Гидравлика, - М, Высш.Шк., 2006, 175 с.; ил., с.164-167).

где H1 - высота напора воды в блоке преобразования низкопотенциальной энергии воды, Н2 - высота напора воды поступающей из АЭС в присоединительный коллектор. На фиг.1 приведена схема пневмогидравлического устройства, предназначенного для преобразования энергии сжатого воздуха, утилизации низкопотенциальной энергии воды, сбрасываемой с АЭС в водоемы, не требующей высокоуровневого резервуара, снижающего температуру водной среды, улучшающий экологию и газовый состав воды за счет насыщения ее кислородом, а также позволяющий использовать тепловую энергию Солнца и энергию тепла, запасенную в воде и воздухе.

Пневмогидравлический агрегат содержит: блок коммутации и управления 1, подключенный к внешней электрической энергосети 25 для первичного запуска компрессора 16, цепи запуска компрессора 27, соединяющей компрессор 16 и блок коммутации и управления 1, цепи электрического выхода 31 генератора тока 5, цепей электрического выхода 28, 29, 30, генераторов тока блоков преобразования 6, 7 и 8, присоединительный коллектор 2, вертикальный коллектор 3, распределительный коллектор 4, турбину 26, соединенную валом с генератором тока 5, генератор тока 9 блока преобразования 6, дренажно-предохранительный клапан 10, корпус 11, патрубок 12, соединительный патрубок 13, резервуар 14, патрубок резервуара, направляющий патрубок 17, пневматическая распределительная сеть 18, гидротурбина 19,

цилиндрический корпус гидротурбины 20, рассекатель 21, сепаратор воздуха 22, насадок конический 23.

При работе пневмогидравлического устройства воздух с выхода расширителя сжатого воздуха компрессора 16 поступает в пневматическую распределительную сеть 18 и далее в сепаратор воздуха 22, где происходит дробление воздуха на большее количество воздушных пузырей, наиболее полно отбирает теплоту от воды, запасенную при таянии льда (скрытая теплота плавления равная 80 кал/г), отобранную системой охлаждения при сжатии воздуха и другим источником горячей воды, например, поступающей через направляющий патрубок 17 от распределительного коллектора 4 соединенного с вертикальным коллектором 3 подсоединенным через присоединительный коллектор 2 к системе сброса теплой воды с АЭС, при этом водная масса, поступающая на гидротурбину 26 через вал, соединяющий ее с генератором тока 5 передает ему механическую энергию вращения, а генератор 5 вырабатывает электрический ток, передаваемый по цепи 31 на блок коммутации и управления 1. По цепям 28, 29 и 30 соответственно от блоков преобразования 6, 7 и 30 поступает электрическая энергия.

Резервуар 14, уровень границ бака которого делают выше уровня присоединительного коллектора 2, заполняют водой из присоединительного коллектора 2 через вертикальный коллектор 3, далее через распределительный коллектор 4, откуда через направляющий патрубок 17, подают в цилиндрический корпус 11 блока преобразования 6, на сепаратор воздуха 22, в который с помощью компрессора 16 через пневматическую распределительную сеть 18 осуществляют подачу воздуха, и образованную водо-воздушную смесь через насадок конический 23 подают в цилиндрический корпус гидротурбины 20 на рассекатель 21 и далее на гидротурбину 19, энергию, вращение которой через ее вал передают на генератор тока 9.

На примере блока преобразования 6, преобразование низкопотенциальной энергии теплоты осуществляется следующим образом. Водо-воздушная масса, создаваемая в цилиндрическом корпусе 20, путем смешивание воды, поступающей через направляющий патрубок 17 и насадок 23 и воздуха подаваемого из сепаратора 22, подсоединенного к пневматической распределительной сети 18, подающей воздух от компрессора 16 создает восходящий водо-воздушный поток, который воздействует на гидротурбину 19 и через вал передает энергию вращения на генератор тока 9, которой цепью 18 подсоединен к блоку коммутации и управления 1. Аналогично работают и блоки преобразования 7 и 8. Число блоков определяется исходя из конструктивных решений и

принятой мощности генераторов тока и размера турбин. Трехкаскадный вариант наиболее приемлем, так как обеспечивает более равномерный отбор низкопотенциальной тепловой энергии воды, хорошие эксплуатационные характеристики и большую скорость охлаждения.

Следует заметить, что сброс воды с АЭС осуществляется под напором, так как это требует достаточно мощные циркуляционные насосы. Энергия напора сбрасываемых вод с АЭС утилизируется в вертикальном коллекторе. А низкопотенциальная энергия водной среды утилизируется в блоках преобразования. Такое техническое решение обеспечивает дополнительные энергетические возможности по утилизации и рекуперации энергии водной среды сбрасываемой с АЭС по сравнению с прототипом.

Таким образом, в заявляемом техническом решении «пневмогидравлическое устройство» при фиксированных затратах на создание подъемной силы водо-воздушной смеси по сравнению с прототипом, обладает техническими возможностями по крайней мере увеличить практически в несколько раз производство электрической энергии.

Принимая за основу типовую методику оценки энергетических возможностей гидроагрегатов, оценим получаемый энергетический результат на прототипе.

Для варианта прототипа сила, воздействующая на гидротурбину 19 блока преобразования 6, 7 и 8 снизу, равна силе притяжения единицы массы воды и равна силе выталкивания единицы объема подведенного воздуха.

Расчет мощности ведется по формуле расчета мощности гидравлической турбины, когда в весовом эквиваленте при плотности воды 1000 кг/м³ и силе плавучести 1 м³=1000 кгс 9,81Q - сила, приложенная в течение секунды.

Мощность определяется по формуле:

N=9,8QH,

где 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; Q - расход воды, м³/с; Н - напор, м; - КПД коэффициент полезного действия; N - мощность в кВт.

Легко видеть, что оценка энергетической мощности, получаемой на гидротурбине 26, заявляемого пневмогидравлического устройства так же может быть оценена по приведенной формуле и равна сумме получаемой электрической энергии на всех блоках преобразования 6, 7 и 8.

Следует отметить, что потери обусловленные изменением кинетического момента движущейся водяной среды из вертикального коллектора 3 через распределительный

коллектор 4 и направляющие патрубки 17 зависит от их диаметра и длин. В нашем случае при размерах превышающих десятки сантиметров, например, 100 см, потерями можно пренебречь ("Кудинов В.А., Карташов Э.М., Гидравлика, - М, Высш.Шк., 2006, 175 с.; ил., с.164-167).

Технико-экономический эффект заявляемого технического решения пневмогидравлическое устройство также очевиден, при стоимости компрессорной установки равной стоимости компрессора прототипа производится электрической энергии в шесть раз больше.

Характеристика компрессора.

Источник сжатого воздуха - компрессор поршневой ВП2-10/9.

Стоимость - 20000 У.Е.

Производительность - 0,167 м3/с.

Конечное давление, МПа - 0,9 (9 Атмосфер).

Мощность на валу компрессора - 56,5 КВт.

Стоимость гидроагрегата пропеллерного типа 350 У.Е. за 1 кВт электрической мощности.

Стоимость гидроагрегата мощностью 50 кВт соответственно составит 17500 У.Е.

Стоимость конструктивных элементов крепления и резервуара - 5500 У.Е.

Оценка стоимости прототипа.

20000+17500+5500=43000 У.Е.

Производимая электрическая энергия - 50 кВт.

Удельная стоимость прототипа на 1 кВт - 43000/50=860 У.Е.

Оценка стоимости заявляемого пневмогидравлического устройства с учетом гидроагрегатов, размещенных в вертикальном коллекторе 3 и в блоках преобразования 6, 7 и 8.

20000+17500+3×17500+5500=95500 У.Е.

Производимая электрическая энергия гидроагрегатом в вертикальном коллекторе равна сумме вырабатываемой во всех трех блоках преобразования 6, 7, и 8, в сумме равна (150+50×3)=300 кВт.

Удельная стоимость заявляемого

пневмогидравлического устройства на 1 кВт - 95500/300=318,3 У.Е.

Характеристика пневмогидравлического устройства.

Первый цилиндрический корпус определим с высотой водяного столба равного 2 метра и определим необходимую мощность двигателя компрессора на подвод воздуха под этот столб воды, с учетом атмосферного давления, исходя из данных технической характеристики компрессора:

N=(2 м·56,5 кВт)/(90 м+10 м)=1,13 КВт

На всей высоте установки будет наблюдаться восходящий поток водо-воздушной смеси, в котором независимая от глубины погружения тела выталкивающая сила позволяет разместить не менее 5 рабочих колес - гидротурбин. Энергетический режим предлагаемой гидротурбины протекает в более выгодных условиях, чем в известном насосе «Эрлифт», так как переток воды происходит ниже уровня воды в турбине, то есть в условиях, близких к условиям невесомости, без значительного подъема воды в корпусе турбины, на что в насосе расходуется основное количество энергии.

Примем КПД турбины равным 0,9. В этом случае мощность равна:

N=9,81·0,167·2·5·0,9=14,7 кВт

Таким образом, получена энергия, в 13 раз превышающая затраченную энергию:

14,7 КВт/1,13 КВт=13

Без потери общности рассуждений, примем, что и электрические мощности, полученные на каждом из блоков преобразования 6, 7 и 8 равны между собой, а мощность гидроагрегата, размещенного в вертикальном коллекторе 3 равна их сумме. То есть, суммарная мощность заявляемого пневмогидравлического устройства равна

(14,7×3)×2=88,2 кВт.

Таким образом, полученная мощность на основе заявляемого пневмогидравлического устройства составит 88,2 кВт электрической энергии. Технико-экономическая эффективность может быть определена через сроки окупаемости вариантов прототипа и заявляемого пневмогидравлического устройства, а также в использовании фактически готовой энергии экологически абсолютно чистым и дешевым способом.

Оценим срок окупаемости прототипа.

Тариф - 0,054 У.Е. за 1 кВт (приблизительно 1 руб. 20 копеек за 1 кВт)

Число часов в году 8760 час

Срок окупаемости прототипа составит

43000/(8760×0,054×50)=1,8 года.

Срок окупаемости заявляемого пневмогидравлического устройства составит

95500/(8760×0,054×300)=0,67 года.

Преимущество заявляемого пневмогидравлического устройства перед прототипом очевидно, как по сроку окупаемости в 3 раза быстрее, так и по производимой электрической энергии (производится в шесть раз больше электрической энергии, чем прототипом) на основе экологически чистой технологии, обеспечивающей улучшение качества воды, снижение ее температуры и улучшения микроклимата территории.

1. Пневмогидравлическое устройство, содержащее соединенный с источником сжатого воздуха цилиндрический корпус с установленной с возможностью вращения на вертикальной оси гидротурбиной, отличающееся тем, что содержит резервуар, уровень границ бака которого выполнен выше уровня коллектора, подающего сбрасываемую воду АЭС, а коллектор через распределительную сеть трубопроводов, через направляющий патрубок соединен с цилиндрическим корпусом, содержащим насадок конический, гидротурбину, сепаратор воздуха, соединенный через пневматическую распределительную сеть с компрессором, подающим воздух, а гидротурбина соединена валом вращения с генератор тока.

2. Пневмогидравлическое устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор тока подсоединен к блоку коммутации и управления.